CN110625428A - 机床、控制方法以及计算机可读存储介质 - Google Patents

机床、控制方法以及计算机可读存储介质 Download PDF

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Abstract

提供机床、控制方法以及计算机可读存储介质。机床具备：显示部；用于加工工件的刀具；用于使刀具或工件旋转的主轴；用于检测主轴或刀具的振动频率的传感器；以及用于控制机床的控制装置。控制装置基于振动频率来检测在主轴或刀具中发生的颤振，基于颤振的频率、主轴的旋转速度以及刀具的刀刃数，来计算与刀具的第一刀刃的当前旋转角达到刀具的第二刀刃的当前旋转角为止的期间中的刀具的振动次数相当的阶次，在显示部中显示表示计算出的该阶次的大小的阶次信息。

Description

机床、控制方法以及计算机可读存储介质
技术领域
本公开涉及一种用于向用户呈现用于抑制颤振的指标的技术。
背景技术
在利用机床来切削工件时，刀具的刀尖有时会振动。这种振动被称为颤振(日语：びびり振動)。当发生颤振时，工件的切削精度会下降。
为了抑制颤振，用户需要掌握正在发生的颤振的状态。日本特开2012-089967号公报公开了一种在监视器中显示颤振的状态的机床。该机床将发生颤振时的主轴旋转速度与该颤振的加速度之间的关系显示在图表上。
发明内容
颤振是在主轴旋转速度与刀具对工件切入的切入宽度之间的关系满足规定条件的情况下产生的振动。因此，若对主轴旋转速度、工件的切入宽度进行调整，则能够抑制颤振。
日本特开2012-088967号公报中公开的机床仅呈现主轴旋转速度与颤振的加速度之间的关系来作为所发生的颤振的信息。因此，用户不能直观地理解如何调整主轴旋转速度、工件的切入宽度等控制参数比较好。
本公开是为了解决如上所述的问题而完成的，其一方面的目的在于提供一种能够通过显示与颤振有关的信息来辅助用户调整控制参数的机床。另一方面的目的在于提供一种能够通过显示与颤振有关的信息来辅助用户调整控制参数的控制方法。另一方面的目的在于提供一种能够通过显示与颤振有关的信息来辅助用户调整控制参数的控制程序。
在本公开的一例中，机床具备：显示部；刀具，其用于加工工件；主轴，其用于使上述刀具或上述工件旋转；传感器，其用于检测上述主轴或上述刀具的振动频率；以及控制装置，其用于控制上述机床。上述控制装置基于上述振动频率来检测在上述主轴或上述刀具中发生的颤振，基于上述颤振的频率、上述主轴的旋转速度以及上述刀具的刀刃数，来计算与上述刀具的第一刀刃的当前旋转角达到上述刀具的第二刀刃的当前旋转角为止的期间中的上述刀具的振动次数相当的阶次，在上述显示部中显示表示计算出的该阶次的大小的阶次信息。
在本公开的一例中，上述控制装置在上述显示部中显示多个阶次分区，上述多个阶次分区各自表示不同的阶次的范围，在上述显示部中显示上述阶次信息时，将上述多个阶次分区中的计算出的上述阶次所属的阶次分区以能够与其它阶次分区进行区别的显示方式进行显示。
在本公开的一例中，上述多个阶次分区包括第一阶次分区和第二阶次分区，上述第二阶次分区表示比上述第一阶次分区的上限值大的阶次的范围。上述控制装置使上述第一阶次分区所表示的阶次的范围宽于上述第二阶次分区所表示的阶次的范围。
在本公开的一例中，上述控制装置基于预先决定的计算式来生成稳定极限线图，上述稳定极限线图表示在上述刀具对上述工件切入的切入宽度和上述主轴的旋转速度的切削条件的关系中不会发生颤振的极限的切削条件，上述控制装置根据所生成的该稳定极限线图，来改变上述多个阶次分区各自表示的阶次的范围。
在本公开的一例中，上述机床还具备存储装置，上述存储装置用于将操作方式信息与上述多个阶次分区分别对应地进行保存，上述操作方式信息规定了为了抑制上述颤振而应该对上述机床进行的操作方式。上述控制装置基于检测出上述颤振，来从上述多个阶次分区中确定计算出的上述阶次所属的阶次分区，输出与该阶次分区对应的操作方式信息。
在本公开的一例中，上述多个阶次分区分别与互不相同的频率范围对应。上述控制装置通过对上述振动频率进行频率分解来计算每个频率的振动强度，在上述显示部中与上述多个阶次分区各自对应地显示该阶次分区所表示的频率范围内的振动强度。
在本公开的一例中，上述控制装置基于检测出上述颤振，来在上述显示部中显示上述阶次信息。
在本公开的其它例中，机床的控制方法具备以下步骤：使主轴旋转，上述主轴对工件或刀具进行旋转驱动；检测上述主轴或上述刀具的振动频率；基于上述振动频率来检测在上述主轴或上述刀具中发生的颤振；计算步骤，基于上述颤振的频率、上述主轴的旋转速度以及上述刀具的刀刃数，来计算与上述刀具的第一刀刃的当前旋转角达到上述刀具的第二刀刃的当前旋转角为止的期间中的上述刀具的振动次数相当的阶次；以及在上述机床的显示部中显示表示在上述计算步骤中计算出的阶次的大小的阶次信息。
在本公开的其它例中，控制程序使上述机床执行以下步骤：使主轴旋转，上述主轴对工件或刀具进行旋转驱动；检测上述主轴或上述刀具的振动频率；基于上述振动频率来检测在上述主轴或上述刀具中发生的颤振；计算步骤，基于上述颤振的频率、上述主轴的旋转速度以及上述刀具的刀刃数，来计算与上述刀具的第一刀刃的当前旋转角达到上述刀具的第二刀刃的当前旋转角为止的期间中的上述刀具的振动次数相当的阶次；以及在上述机床的显示部中显示表示在上述计算步骤中计算出的阶次的大小的阶次信息。
本发明的上述目的、特征、方面以及优点以及其它目的、特征、方面以及优点通过结合附图来理解的有关本发明的下面的详细说明会变得明确。
附图说明
图1是示出遵循实施方式的机床的外观的图。
图2是示出遵循实施方式的机床的内部结构的一例的图。
图3是示出容易发生再生颤振的切削条件的一例的图。
图4是示出难以发生再生颤振的切削条件的一例的图。
图5是示出阶次为整数的情况下的工件的切削样式的图。
图6是示出在主轴旋转速度和工件的切入宽度的切削条件的关系中不会发生再生颤振的切削条件的范围的图。
图7是示出刀具对工件进行切削的切削样式的图。
图8是示出显示器所显示的振动监视画面的图。
图9是表示根据稳定极限线图来生成阶次计的过程的概念图。
图10是示出所显示的推荐的操作方式的一例的图。
图11是示出所显示的推荐的操作方式的一例的图。
图12是示出所显示的推荐的操作方式的一例的图。
图13是示出阶次分区信息的数据结构的一例的图。
图14是示出遵循实施方式的机床的主要硬件结构的框图。
图15是示出遵循实施方式的机床的功能结构的一例的图。
图16是示出采样得到的振动频率的图。
图17是表示遵循实施方式的机床所执行的处理的一部分的流程图。
图18是示出对由加速度传感器检测出的振动频率进行频率分解而得到的频谱的图。
图19是示出根据频谱来生成的振动强度分布的图。
具体实施方式
下面，参照附图对遵循本发明的各实施方式进行说明。在下面的说明中，对相同的部件和结构要素标注相同的标记。它们的名称和功能也是同样的。因此，不重复针对这些部件和结构要素的详细说明。此外，下面说明的各实施方式和各变形例也可以适当地选择性地进行组合。
<A.机床100的结构>
参照图1和图2对机床100的结构进行说明。图1是示出机床100的外观的图。图2是示出机床100的内部结构的一例的图。
图1和图2中示出了作为加工中心的机床100。下面对作为加工中心的机床100进行说明，但是机床100不限定于加工中心。例如，机床100既可以是车床，也可以是其它切削机或研磨机。另外，机床100既可以是沿铅垂方向安装刀具的立式的加工中心，也可以是沿水平方向安装刀具的卧式的加工中心。
机床100包括用于显示与切削有关的各种信息的显示器130以及用于受理针对机床100的各种操作的输入设备131。
另外，机床100在其内部具有主轴头21。主轴头21由主轴22和壳体23构成。主轴22配置于壳体23的内部。用于对被加工物即工件进行加工的刀具安装于主轴22。在图2的例子中，作为立铣刀的刀具32安装于主轴22。
主轴头21构成为能够沿着滚珠丝杠25在Z轴方向上驱动。在滚珠丝杠25连接有伺服电动机等驱动机构。该驱动机构通过驱动滚珠丝杠25来使主轴头21移动，将主轴头21移动到Z轴方向上的任意位置。
另外，在主轴22连接伺服电动机等驱动机构。该驱动机构以平行于Z轴方向(铅垂方向)的中心轴AX1为中心来对主轴22进行旋转驱动。其结果是，安装于主轴22的刀具32随着主轴22的旋转来以中心轴AX1为中心进行旋转。此外，在机床100为车床的情况下，工件安装于主轴22。在该情况下，安装于主轴22的工件随着主轴22的旋转来进行旋转。
机床100还具有自动刀具更换装置(ATC：Automatic Tool Changer)30。自动刀具更换装置30由刀库31、压出机构33以及臂36构成。刀库31是用于收容各种刀具32的装置，各种刀具32用于加工工件。刀库31由链轮35和多个刀具保持部34构成。
刀具保持部34构成为能够保持各种刀具32。多个刀具保持部34呈环状地排列在链轮35的周围。链轮35设置为能够通过电动机驱动来以平行于X轴的中心轴AX2为中心进行旋转。多个刀具保持部34随着链轮35的旋转来以中心轴AX2为中心进行旋转移动。
自动刀具更换装置30基于接收到刀具的更换命令，来从刀库31拔出作为安装对象的刀具32，并将该刀具32安装于主轴22。更具体地说，自动刀具更换装置30使保持作为目标的刀具32的刀具保持部34移动到压出机构33之前。接着，压出机构33朝向利用臂36进行更换的更换位置压出作为目标的刀具32。之后，臂36从刀具保持部34拔出作为目标的刀具32，并且从主轴22拔出当前安装的刀具32。之后，臂36以保持这些刀具32的状态转半圈，将作为目标的刀具32安装到主轴22，并且将原来的刀具32收容到刀具保持部34。由此，进行刀具32的更换。
机床100还具有用于在XY平面上移动作为加工对象的工件的移动机构50。移动机构50由引导件51、53、滚珠丝杠52、54以及用于保持工件的工作台55(工件保持部)构成。
引导件51与Y轴平行地设置。引导件53设置在引导件51上，与X轴平行地设置。引导件53构成为能够沿着引导件51驱动。工作台55设置在引导件53上，构成为能够沿着引导件53驱动。
在滚珠丝杠52连接有伺服电动机等驱动机构。该驱动机构通过驱动滚珠丝杠52来使引导件53沿着引导件51移动，将引导件53移动到Y轴方向上的任意位置。同样地，在滚珠丝杠54也连接有伺服电动机等驱动机构。该驱动机构通过驱动滚珠丝杠54来使工作台55沿着引导件53移动，将工作台55移动到X轴方向上的任意的位置。即，机床100通过协同控制与滚珠丝杠52、54分别连接的驱动机构，来将工作台55移动到XY平面上的任意的位置。由此，机床100能够一边使工作台55上保持的工件在XY平面上移动一边进行加工。
在壳体23设置有用于检测主轴22或刀具32的振动频率的加速度传感器110。优选的是，在壳体23设置有多个加速度传感器110，各加速度传感器110检测主轴22或刀具32在不同方向(例如X、Y、Z方向)上的振动。此外，用于检测振动频率的传感器不限定于加速度传感器110，能够使用能够检测刀具32或主轴22的振动频率的任意的传感器。
<B.发生再生颤振的原理>
在利用机床100来切削工件时，有时会发生刀具32的刀尖振动的再生颤振。再生颤振是在主轴22的旋转速度与刀具32对工件切入的切入宽度之间的关系满足规定条件时产生的振动。
下面，参照图3～图6，对发生再生颤振的原理进行说明。图3是示出容易发生再生颤振的切削条件的一例的图。更详细地说，图3的(A)示出了上次切削时的工件上的切割痕迹。图3的(B)示出了本次切削时的刀具32的振动频率。图3的(C)示出了本次切削时的刀具32对工件切削的切削厚度。
刀具32通过一边旋转一边反复切削工件来切削工件。刀具32在工件切削期间振动，如图3的(A)所示，在工件的切削面产生起伏。
在刀具32接着切削工件时，上次切削时的切削痕迹与本次切削时的刀具32的振动频率之间可能存在偏差。如果将该偏差表示为则在图3的(A)和图3的(B)的例子中，偏差为π/4(＝90度)。当产生这种偏差时，工件的切削厚度根据切削位置而发生变动。图3的(C)示出了在产生的偏差的情况下的切削厚度的变动。当切削厚度发生变动时，刀具32在切削期间从工件受到的力发生变动，容易发生再生颤振。特别是，时最易于发生再生颤振。
图4是示出难以发生再生颤振的切削条件的一例的图。更详细地说，图4的(A)示出了上次切削时的工件上的切削痕迹。图4的(B)示出了本次切削时的刀具32的振动频率。图4的(C)示出了本次切削时的刀具32对工件切削的切削厚度。
在图4的(A)和图4的(B)的例子中，刀具32的振动频率与上次切削时的切削痕迹重叠。在这种情况下，偏差为0，工件的切削厚度固定。因此，刀具32在切割期间从工件受到的力固定，难以发生再生颤振。
因而，当调整主轴22的旋转速度使得偏差接近0时，难以发生再生颤振。另一方面，当调整主轴22的旋转速度使得偏差接近π/4时，容易发生再生颤振。
典型地说，在下述式(1)所示的“k”为整数时，偏差为0。
数式(1)
k＝60·fc/(n0·N)···(1)
式(1)所示的“k”被称为阶次。“k”表示从刀具32的第一刀刃接触工件到第二刀刃接触工件为止的期间中因刀具32的振动而产生的切削面的波数。即，“k”相当于刀具32的第一刀刃的当前旋转角达到刀具32的第二刀刃的当前旋转角为止的期间中的刀具32的振动次数。“fc”表示主轴22的振动频率。“N”表示刀具32的刀刃数。“n0”表示主轴22的旋转速度。这里所说的旋转速度是指每单位时间(例如每分钟)的主轴22的旋转速度。由于刀具32与主轴22连动，因此主轴22的旋转速度等于刀具32的旋转速度。因此，主轴22的旋转速度与刀具32的旋转速度意思相同。下面，将主轴22或刀具32的旋转速度也称为“主轴旋转速度”。
图5是示出阶次k为整数的情况下的工件W的切削样式的图。图5中示出了从主轴22的轴向观察时的刀具32和工件W的样式。
图5的(A)示出了阶次k为1的情况下的工件W的切削样式。如图5的(A)所示，当阶次k为1时，从刀具32的刀刃32A接触工件W到刀具32的刀刃32B接触工件W为止的期间中因刀具32的振动而产生的切削面的波数为1。
图5的(B)示出了阶次k为2的情况下的工件W的切削样式。图5的(B)的切削样式中的刀具转速相当于图5的(A)的切削样式中的主轴旋转速度的1/2。如图5的(B)所示，当阶次k为2时，工件W的切削面上的波数为2。
图5的(C)示出了阶次k为3的情况下的工件W的切削样式。图5的(C)的切削样式中的主轴旋转速度相当于图5的(A)的切削样式中的主轴旋转速度的1/3。如图5的(C)所示，当阶次k为3时，工件W的切削面上的波数为3。
在图5的(A)～图5的(C)所示的切削样式中，偏差均为0，因此难以发生再生颤振。
是否发生再生颤振是由主轴旋转速度与工件W的切入宽度之间的关系决定的。图6是示出在主轴旋转速度和工件W的切入宽度的切削条件的关系中不会发生再生颤振的切削条件的范围(下面也称为“稳定范围”)以及发生再生颤振的切削条件的范围(下面也称为“不稳定范围”)的图。在图6中，稳定范围与不稳定范围之间的关系被表示为稳定极限线图60。稳定范围被标注了阴影，不稳定范围未被标注阴影。
图6所示的图表的横轴表示主轴旋转速度。图6所示的图表的纵轴表示工件的切入宽度。这里所说的“切入宽度”是包括刀具32在主轴22的轴向上切入工件W的宽度(下面也称为“切入宽度Ap”)以及刀具32在主轴22的轴向的正交方向、即刀具32相对于工件W的移动方向的正交方向上切入工件W的宽度(下面也称为“切入宽度Ae”)的概念。即，图6所示的图表的纵轴可以用切入宽度Ap表示，也可以用切入宽度Ae表示。
图7是示出刀具32对工件W进行切削的切削样式的图。图7示出了作为立铣刀的刀具32。刀具32在其侧面具有多个刀刃，通过一边旋转一边接触工件W来切削工件W。
图7示出了作为立铣刀的刀具32。刀具32在其侧面具有多个刀刃，通过一边沿着预先决定的路径旋转一边接触工件W来切削工件W。作为一例，刀具32按切入宽度Ae来依次切削掉切入宽度Ap的第一层的切削部分。接着，刀具32按切入宽度Ae来依次切削掉切入宽度Ap的第二层的切削部分。通过重复这种切削，刀具32将工件W切削成任意形状。
<C.振动监视画面>
遵循本实施方式的机床100在显示器130(显示部)中显示用于监视再生颤振的振动监视画面。下面，参照上述的图6并参照图8对振动监视画面进行说明。
图8是示出显示器130所显示的振动监视画面70的图。振动监视画面70包括振动信息显示栏72、刀具信息显示栏85以及加工信息显示栏86。
下面，按顺序对这些画面组件进行说明。
(C1.振动信息显示栏72)
振动信息显示栏72显示与再生颤振有关的各种信息。作为一例，振动信息显示栏72包括振动计73和阶次计78。
振动计73利用指针76来向用户呈现刀具32的当前的振动强度。指针76与刀具32的振动强度连动地以顺时针或逆时针的方式运动。振动计73被划分为低振动强度分区74和高振动强度分区75。在指针76属于低振动强度分区74的情况下，不发生再生颤振。在指针76属于高振动强度分区75的情况下，发生再生颤振。
阶次计78显示表示当前阶次的大小的阶次信息。这里所说的“阶次信息”是包括直接表示当前阶次的大小的数字和间接表示当前阶次的大小的图像对象等的概念。在图8的例子中，作为表示当前阶次的图像对象，示出了阶次计78。阶次计78利用与当前阶次连动的指针82来向用户呈现当前阶次。典型地说，当前阶次越高则指针82越向画面左侧运动，当前阶次越低则指针82越向画面右侧运动。
作为一例，阶次计78被划分为低阶次分区79、中阶次分区80以及高阶次分区81。如上述的图6所示，在切入宽度Ae1处的低阶次分区79中存在稳定范围，因此仅通过调整主轴旋转速度就能够抑制再生颤振。即，在指针82属于低阶次分区79的情况下，用户能够判断为仅通过改变主轴旋转速度就能够抑制再生颤振。
另外，由于在切入宽度Ae1处的中阶次分区80中不存在稳定范围，因此仅通过调整主轴旋转速度不能抑制再生颤振。即，在指针82属于中阶次分区80的情况下，用户能够判断为需要使工件W的切入宽度比当前小。
另外，在指针82属于高阶次分区81的情况下，用户能够掌握到接近阻尼区域。阻尼区域是指即使增大切入宽度也不会发生再生颤振的区域。即，在指针82属于高阶次分区81的情况下，用户能够判断为能够通过使主轴旋转速度比当前低来抑制再生颤振，并且能够判断为能够增大工件W的切入宽度。
这样，通过在振动监视画面70上显示表示当前阶次的大小的阶次信息，机床100能够辅助用户调整控制参数。
优选的是，机床100在振动监视画面70上显示阶次信息时，将当前阶次所属的阶次分区以能够与其它阶次分区进行区别的显示方式进行显示。典型地说，相比于其它阶次分区，突出显示当前阶次所属的阶次分区。突出显示的方法是任意的。作为一例，以与其它阶次分区不同的颜色显示当前阶次所属的阶次分区。或者，以比其它阶次分区的颜色深的颜色显示当前阶次所属的阶次分区。通过相比于其它阶次分区突出显示当前阶次所属的阶次分区，用户能够容易地判别当前阶次所属的阶次分区，能够更直观地判断如何调整主轴旋转速度、切入宽度比较好。
此外，在图8的例子中，阶次分区被划分为3个，但是阶次分区既可以划分为2个，也可以划分为4个以上。作为一例，阶次被划分为第一阶次分区(例如低阶次分区)和第二阶次分区(例如高阶次分区)这2个分区。第一阶次分区的上限值为第二阶次分区的下限值以上。优选的是，越靠近低阶次一侧，各阶次分区所表示的范围越宽。即，低阶次一侧的第一阶次分区所表示的阶次的范围比高阶次一侧的第二阶次分区所表示的阶次的范围宽。
(C2.刀具信息显示栏85)
在刀具信息显示栏85中显示在加工中使用的刀具的各种信息。所显示的刀具信息例如包括刀具编号、刀具的刀刃数、刀具的直径、能够安全使用刀具的主轴旋转速度的范围以及用于识别刀具保持部34(参照图2)的保持件编号等。
(C3.加工信息显示栏86)
在加工信息显示栏86中显示刀具32的当前的加工条件(控制参数)。所显示的加工条件例如包括刀具32的每个刀刃的进给速度以及主轴旋转速度等。
<D.阶次分区的决定方法>
上述的振动监视画面70(参照图8)的阶次计78中示出的各阶次分区的范围既可以在设计时等预先决定，也可以在使用时由用户任意改变，还可以自动决定。
下面，参照图9对自动决定各阶次分区的范围的情况进行说明。图9是表示根据稳定极限线图60A来生成阶次计78的过程的概念图。
机床100根据所生成的稳定极限线图60A来改变阶次计78的各阶次分区所表示的阶次的范围。作为一例，机床100计算在当前的切入宽度Ae1上稳定范围在主轴旋转速度的各区间中占据的比例(下面也称为“稳定范围率”)，根据该稳定范围率来决定各阶次分区的范围。作为一例，机床100对稳定范围率小于规定阈值th的区间分配中阶次分区80A。接着，机床100对比中阶次分区80A靠低阶次一侧的区间分配低阶次分区79A，对比中阶次分区80A靠高阶次一侧的区间分配高阶次分区81A。
由此，机床100能够根据稳定范围的宽度来决定各阶次分区的范围。通过确认当前阶次所属的阶次分区，用户能够容易地判断是否能通过调整主轴旋转速度来抑制颤振。
<E.操作方式的呈现>
接着，对发生再生颤振时呈现的推荐的操作方式进行说明。图10～图12是示出所显示的推荐的操作方式的一例的图。
如图10所示，在当前阶次属于低阶次分区79的情况下，机床100在振动监视画面70上显示推荐的操作方式95A。如上所述，在低阶次分区79中，在当前的主轴旋转速度附近存在稳定范围，因此仅通过调整主轴旋转速度就能够抑制再生颤振。因此，在当前阶次分区属于低阶次分区79的情况下，机床100通过显示操作方式95A来促使用户改变主轴旋转速度。
如图11所示，在当前阶次属于中阶次分区80的情况下，机床100在振动监视画面70上显示推荐的操作方式95B。如上所述，在中阶次分区80中不存在稳定范围，因此仅通过调整主轴旋转速度不能抑制再生颤振。因此，在当前阶次分区属于中阶次分区80的情况下，机床100通过显示操作方式95B来促使用户使工件W的切入宽度比当前小。
如图12所示，在当前阶次属于高阶次分区81的情况下，机床100在振动监视画面70上显示推荐的操作方式95C。如上所述，在高阶次分区81中，能够通过使主轴旋转速度比当前低来使切削条件包含于阻尼区域。因此，在当前阶次分区属于高阶次分区81的情况下，机床100通过显示操作方式95C来促使用户使主轴旋转速度比当前低。另外，在阻尼区域中，即使增大切入宽度也不会发生再生颤振，因此机床100向用户呈现即使使切入宽度比当前大也没有问题。
阶次分区与推荐的操作方式之间的关系例如被规定在图13所示的阶次分区信息124中。图13是示出阶次分区信息124的数据结构的一例的图。
如图13所示，在阶次分区信息124中，按阶次分区将阶次的范围与为了抑制再生颤振而应该对机床100进行的推荐的操作方式进行关联。机床100从阶次分区信息124中规定的阶次分区中确定当前阶次所属的阶次分区，输出与该阶次分区对应的操作方式。通过在发生再生颤振时显示推荐的操作方式，用户能够更直观地判断如何调整哪个控制参数比较好。
<F.机床100的硬件结构>
参照图14对机床100的硬件结构的一例进行说明。图14是示出机床100的主要硬件结构的框图。
机床100包括主轴22、滚珠丝杠25、52、54、控制装置101、ROM 102、RAM 103、通信接口104、显示接口105、输入接口109、加速度传感器110、伺服驱动器111A～111D、伺服电动机112A～112D、编码器113A～113D以及存储装置120。
控制装置101例如是能够执行NC(Numerical Control：数值控制)程序的NC控制装置。NC控制装置由至少一个集成电路构成。集成电路由例如至少一个CPU(CentralProcessing Unit：中央处理单元)、至少一个ASIC(Application Specific IntegratedCircuit：专用集成电路)、至少一个FPGA(Field Programmable Gate Array：现场可编程门阵列)或它们的组合等构成。
控制装置101通过执行机床100的控制程序122(NC程序)等各种程序来控制机床100的操作。控制装置101基于接收到了控制程序122的执行命令，来将控制程序122从存储装置120读取到ROM 102。RAM 103作为工作存储器来发挥功能，暂时保存执行控制程序122所需的各种数据。
在通信接口104连接有LAN、天线等。机床100经由通信接口104来与外部的通信设备之间交换数据。外部的通信设备例如包括服务器、其它通信终端等。机床100也可以构成为能够从该通信终端下载控制程序122。
显示接口105与显示器130等显示设备连接，按照来自控制装置101等的指令对显示器130发送用于显示图像的图像信号。显示器130例如是液晶显示器、有机EL显示器或其它显示设备。
输入接口109能够与输入设备131连接。输入设备131例如是设置于显示器130的触摸面板、鼠标、键盘或能够受理用户操作的其它输入设备。
伺服驱动器111A从控制装置101逐次接受目标旋转速度(或目标位置)的输入，控制伺服电动机112A以使得伺服电动机112A以目标旋转速度进行旋转。更具体地说，伺服驱动器111A根据编码器113A的反馈信号来计算伺服电动机112A的实际旋转速度(或实际位置)，在该实际旋转速度小于目标旋转速度的情况下，提高伺服电动机112A的旋转速度，在该实际旋转速度大于目标旋转速度的情况下，降低伺服电动机112A的旋转速度。这样，伺服驱动器111A一边逐次接受伺服电动机112A的旋转速度的反馈，一边使伺服电动机112A的旋转速度接近目标旋转速度。伺服驱动器111A将与滚珠丝杠54连接的工作台55(参照图2)沿着X轴方向进行移动，将工作台55移动到X轴方向上的任意位置。
通过同样的电动机控制，伺服驱动器111B将与滚珠丝杠52连接的引导件53(参照图2)沿着Y轴方向进行移动，将引导件53上的工作台55(参照图2)移动到Y轴方向上的任意位置。通过进行同样的电动机控制，伺服驱动器111C将与滚珠丝杠25连接的主轴头21(参照图2)移动到Z轴方向上的任意位置。通过进行同样的电动机控制，伺服驱动器111D控制主轴旋转速度。
存储装置120例如是硬盘、闪存等存储介质。存储装置120存储稳定极限线图60、控制程序122、上述阶次分区信息124(参照图13)、在控制程序122中使用的各种控制参数126(例如主轴旋转速度、主轴22的进给速度、切入宽度Ap、Ae等)、规定了各刀具的直径和刀刃数等的刀具信息128等。它们的保存位置不限定于存储设备120，也可以保存在控制装置101的存储区域(例如缓存区域等)、ROM 102、RAM 103、外部设备(例如服务器)等中。
控制程序122也可以不是作为单个程序、而是编入任意的程序的一部分来提供。在这种情况下，与任意的程序协作来实现遵循本实施方式的控制处理。即使是这种不包含一部分模块的程序，也不脱离遵循本实施方式的控制程序122的主旨。并且，控制程序122所提供的功能的一部分或全部也可以由专用的硬件来实现。并且，也可以将机床100构成为所谓的云服务的方式，即，由至少1个服务器来执行控制程序122的处理的一部分。
<G.机床100的功能结构>
参照图15和图16，对机床100的功能进行说明。图15是示出机床100的功能结构的一例的图。
如图15所示，机床100的控制装置101包括旋转速度检测部152、振动检测部154、计算部156、生成部158、决定部160以及显示控制部162来作为功能结构。
下面，按顺序对这些功能结构进行说明。
(G1.旋转速度检测部152)
旋转速度检测部152检测当前的主轴旋转速度。能够用各种方法检测主轴旋转速度。作为一例，旋转速度检测部152从伺服驱动器111D(参照图14)获取上述编码器113D(参照图14)检测出的主轴旋转速度。或者，旋转速度检测部152也可以获取输出到对主轴22进行旋转控制的伺服驱动器111D的主轴旋转速度的指令值(控制信号)，基于该指令值来检测主轴旋转速度。由旋转速度检测部152检测出的主轴旋转速度被输出到计算部156和显示控制部162。
(G2.振动检测部154)
振动检测部154以规定的采样速率对在工件加工期间由加速度传感器110(参照图1)检测的加速度进行采样，对该采样结果进行快速傅立叶变换(FFT：Fast FourierTransform)。
图16是示出采样得到的振动频率69A的图。振动检测部154通过对振动频率69A进行快速傅立叶变换来对振动频率69A进行频率分解，计算每个频率的振动强度。在图16中，作为傅立叶变换的结果的一例，示出了频谱69B。频谱69B的横轴表示频率。频谱的纵轴69B表示振动强度。该振动强度表示振幅的大小。
振动检测部154检测频谱69B所示的各频率的振动强度中的最大振动强度来作为主轴22或刀具32的振动强度。在图16的例子中，提取频率“f”处的振动强度S。在每次检测到该振动强度S时，将该振动强度S输出到计算部156和显示控制部162。
此外，在上述内容中对根据一个方向上的加速度的检测结果来计算振动强度S的例子进行了说明，但是也可以根据多个方向(例如图1所示的X～Z方向)上的加速度的检测结果来计算振动强度。在该情况下，采用针对各方向检测出的振动强度的最大值来作为振动强度。或者，计算针对各方向检测出的振动强度的平均值来作为振动强度。
(G3.计算部156)
计算部156基于由转速检测部152检测出的主轴旋转速度、由振动检测部154检测出的再生颤振的频率以及刀具32的刀刃数来计算当前阶次。例如在上述的刀具信息128(参照图14)中规定有刀具32的刀刃数。
典型地说，计算部156将主轴旋转速度、再生颤振的频率以及刀具32的刀刃数代入上述式(1)，计算出其计算结果来作为当前阶次。计算出的当前阶次被输出到显示控制部162。
(G4.生成部158)
生成部158基于当前的切削条件来生成稳定极限线图60。以各种方法生成稳定极限线图。作为一例，使用由Y·Altintas设计的分析方法来求出稳定极限线图60。
在Y·Altintas的分析方法中，如下述式(2)、(3)所示，刀具32的运动方程式由X方向和Y方向这2个自由度的物理模型表示。
(数式2)
x”+2Gxωxx’+ωx 2x＝Fx/mx···(2)
(数式3)
y”+2Gyωyy’+ωy 2y＝Fy/my···(3)
上述式中所示的“ωx”表示刀具32在X方向上的固有频率[rad/sec]。“ωy”表示刀具32在Y方向上的固有频率[rad/sec]。“Gx”表示X方向上的衰减比[％]。“Gy”表示Y方向上的衰减比[％]。“mx”表示X方向上的等效质量[kg]。“my”表示Y方向上的等效质量[kg]。“Fx”表示作用于刀具32的X方向上的切削动力[N]。“Fy”表示作用于刀具32的Y方向上的切削动力[N]。“x””和“y””分别表示时间的二阶微分。“x’”和“y’”分别表示时间的一阶微分。
上述式(2)、(3)所示的切削动力“Fx”、“Fy”通过下述式(4)、(5)求出。
(数式4)
Fx＝-Ktaph(φ)cos(φ)-KrKtaph(φ)sin(φ)···(4)
(数式5)
Fy＝Ktaph(φ)sin(φ)-KrKtaph(φ)cos(φ)···(5)
上述式中所示的表示刀具32的刀刃切割工件W的厚度[m2]。“ap”表示轴向上的切入宽度[mm]。“Kt”表示主分力的比切削阻力(日语：比切削抵抗)[N/m2]。“Kr”表示主分力与背分力之比[％]。
由于切削动力Fx、Fy根据刀刃32的旋转角来发生变化，因此，在切削的开始角度与切削的结束角度之间对切削动力Fx、Fy进行积分，求出各自的平均值，由此得到切削动力Fx、Fy。另外，能够根据刀具32的直径D[mm]、径向上的切入宽度Ae[mm]、进给方向以及是逆铣还是顺铣，来几何学地求出旋转角和旋转角
当设再生颤振的振动频率为ωc时，上述式(2)、(3)中的固有值Λ由下述式(6)表示。其中，下述式(6)的右边的各变量通过下述式(7)～(14)求出。
(数式6)
Λ＝-(a1±(a1 2-4a0)1/2)/2a0···(6)
(数式7)
a0＝Φxx(iωc)Φyy(iωc)(αxxαyy-αxyαyx)···(7)
(数式8)
a1＝αxxΦxx(iωc)+αyyΦyy(iωc)···(8)
(数式9)
Φxx(iωc)＝1/(mx(-ωc 2+2iGxωcωx+ωx 2))···(9)
(数式10)
Φyy(iωc)＝1/(my(-ωc 2+2iGyωcωy+ωy 2))···(10)
(数式11)
αxx＝[(cos2φe-2Krφe+Krsin2φe)-(cos2φs-2Krφs+Krsin2φs)]/2···(11)
(数式12)
αxy＝[(-sin2φe-2φe+Krcos2φe)-(-sin2φs-2φs+Krcos2φs)]/2···(12)
(数式13)
αyx＝[(-sin2φe+2φe+Krcos2φe)-(-sin2φs+2φs+Krcos2φs)]/2···(13)
(数式14)
αyy＝[(-cos2φe-2Krφe-Krsin2φe)-(cos2φs-2Krφs-Krsin2φs)]/2···(14)
接着，当设固定值“Λ”的实部为“ΛR”、虚部为“ΛI”时，则稳定极限处的轴向上的切入宽度aplim和主轴旋转速度nlim分别由下述式(15)、式(16)表示。
(数式15)
aplim＝2πΛR(1+(ΛI/ΛR)2)/(NKt)···(15)
(数式16)
nlim＝60ωc/(N(2kπ+π-2tan-1(ΛI/ΛR)))···(16)
生成部158一边任意地改变上述数式(15)、(16)所示的“ωc”和“k”的值一边依次计算极限切入宽度“aplim”和主轴旋转速度“nlim”，由此生成稳定极限线图60。这样，生成部158基于预先决定的计算式来生成稳定极限线图60。所生成的稳定极限线图60被输出到决定部160。
(G5.决定部160)
决定部160根据由生成部158生成的稳定极限线图60来决定由上述阶次计78(参照图8)表示的各阶次分区的阶次范围。该决定方法如图9中的说明的那样，因此不再重复说明。针对各阶次分区决定的阶次范围被输出到显示控制部162。
(G6.显示控制部162)
显示控制部162通过对上述的振动监视画面70(参照图8)的显示进行控制，来向用户提供与颤振有关的各种信息。
并且，显示控制部162与由振动检测部154检测的振动强度连动地更新振动计73(参照图8)的显示。
并且，显示控制部162在振动监视画面70上显示由振动检测部154检测出的振动频率。
并且，显示控制部162基于由决定部160决定的各阶次分区的范围来更新在阶次计78中显示的各阶次分区的范围。例如，在每次由生成部158生成稳定极限线图时，对各阶次分区的范围进行更新。另外，显示控制部162与由计算部156计算出的当前阶次连动地更新阶次计78的显示。
在振动监视画面70上显示当前阶次的时机是任意的。在一个方面，当前阶次始终显示于显示控制部162。在其它方面，显示控制部162基于检测出颤振，来在振动监视画面70上显示当前阶次。即，在该情况下，在检测出颤振的期间显示当前阶次，在未检测出颤振的期间不显示当前阶次。
优选的是，在由振动检测部154检测的振动强度超过规定值的情况下，显示控制部162在振动监视画面70上显示发生了颤振。此时，显示控制部162显示与当前阶次所属的阶次分区相应的操作方式。操作方式的显示方法如图10～图12中说明的那样，因此不再重复说明。
<H.机床100的控制结构>
参照图17对机床100的控制结构进行说明。图17是表示机床100所执行的处理的一部分的流程图。
通过由机床100的控制装置101(参照图14)执行控制程序122(参照图14)，来实现图17所示的处理。在其它方面，也可以通过电路元件或其它硬件来执行处理的一部分或全部。
在步骤S110中，控制装置101判断是否受理了用于显示上述的振动监视画面70(参照图8)的操作。在判断为受理了用于显示振动监视画面70的操作的情况下(步骤S110中“是”)，控制装置101将控制切换到步骤S112。否则(步骤S110中“否”)，控制装置101再次执行步骤S110的处理。
在步骤S112中，控制装置101作为上述的显示控制部162(参照图15)，在显示器130上显示振动监视画面70。
在步骤S114中，控制装置101作为上述的计算部156(参照图15)，基于颤振的频率、主轴旋转速度以及刀具32的刀刃数来计算当前阶次。当前阶次的计算方法如上所述，因此不再重复说明。接着，控制装置101作为显示控制部162，根据计算出的当前阶次来更新振动监视画面70的阶次计78(参照图8)。
在步骤S116中，控制装置101作为上述的振动检测部154(参照图15)，计算当前振动强度。振动强度的计算方法如图16中说明的那样，因此不再重复说明。接着，控制装置101作为显示控制部162，根据计算出的当前振动强度来更新振动监视画面70的振动计73。
在步骤S120中，控制装置101判断是否发生了颤振。作为一例，当在步骤S116中计算出的振动强度超过规定值的情况下，控制装置101判断为发生了颤振。当判断为发生了颤振的情况下(步骤S120中“是”)，控制装置101将控制切换到步骤S122。否则(步骤S120中“否”)，控制装置101将控制切换到步骤S130。
在步骤S122中，控制装置101作为上述的显示控制部162，确定当前阶次所属的阶次分区，在振动监视画面70上显示与该阶次分区对应的操作方式。操作方式的显示方法如图10～图12中说明的那样，因此不再重复说明。
在步骤S130中，控制装置101判断是否受理了与主轴旋转速度、工件W的切入宽度等有关的控制参数的调整操作。例如对振动监视画面70进行该调整操作。在判断为受理了控制参数的调整操作的情况下(步骤S130中“是”)，控制装置101将控制切换到步骤S132。否则(步骤S130中“否”)，控制装置101将控制切换到步骤S140。
在步骤S132中，控制装置101基于在步骤S130中受理的调整操作来调整控制参数。
在步骤S140中，控制装置101判断是否受理了关闭振动监画面70的操作。在判断为受理了关闭振动监视画面70的操作的情况下(步骤S140中“是”)，控制装置101结束图17所示的处理。否则(步骤S140中“否”)，控制装置101将控制返回到步骤S114。
<I.振动监视画面70的变形例>
图18是示出对由上述的加速度传感器110(参照图14)检测出的振动频率进行频率分解而得到的频谱69C的图。图19是示出根据频谱69C生成的振动强度分布96的图。
下面，参照图18和图19，对上述振动监视画面70(参照图8)的变形例进行说明。遵循本变形例的机床100还在振动监视画面70上显示振动强度分布96。
振动强度分布96是根据频谱69C生成的。频谱69C是对由加速度传感器110检测出的振动频率进行傅立叶变换而得到的结果的一例。频谱69C的横轴表示频率。频谱69C的纵轴表示振动强度。
如上述式(1)所示，频谱69C的横轴所示的频率与阶次相关。因此，上述的阶次计78(参照图8)所示的各阶次分区与互不相同的频率范围对应。在图18的例子中，低阶次分区79与频率范围Δf1对应。中阶次分区80与频率范围Δf2对应。高阶次分区81与频率范围Δf3对应。
机床100的控制装置101在各频率范围Δf1～Δf3中确定最大的振动强度。此时，优选的是，控制装置101将刀刃通过频率(TPF：Tool passing frequency)的振动强度从对象中排除。按照下述式(17)来计算刀刃通过频率f0。
(数式17)
f0＝n0·N···(17)
式(17)所示的“n0”表示主轴旋转速度。“N”表示刀具32的刀刃数。
针对各频率范围确定最大振动强度的结果是，在频率范围Δf1中，确定与频率分量f1对应的振动强度S1。在频率范围Δf2中，确定与频率分量f2对应的振动强度S2。在频率范围Δf3中，确定与频率分量f3对应的振动强度S3。
之后，控制装置101将振动强度S1反映到振动强度计97A。另外，控制装置101将在中阶次分区80中确定的振动强度S2反映到振动强度计97B。另外，控制装置101将在高阶次分区81中确定的振动强度S3反映到振动强度计97C。
这样，控制装置101与各阶次分区对应地显示该阶次分区所表示的频率范围内的振动强度。由此，用户能够容易地掌握哪个阶次分区中振动强度变高，能够进行适当的操作以抑制颤振。
优选的是，控制装置101利用与刀刃通过频率f0对应的振动强度S0对各阶次分区的振动强度S1～S3进行标准化。更具体地说，控制装置101将振动强度S1～S3分别除以振动强度S0，将进行相除后的振动强度S1～S3反映到振动强度计97A～97C。由此，控制装置101能够吸收刀刃通过频率f0的振动强度的影响。
此外，除振动强度计97A～97C以外，也可以在振动强度分布96中显示其它各种信息。例如，在振动强度分布96中显示旋转速度计98、振动强度计99。旋转速度计98示出当前的主轴旋转速度。在振动强度计99中示出综合振动强度。振动强度计99中显示的振动强度例如可以是针对各阶次分区确定的振动强度的平均值，也可以是针对各阶次分区确定的振动强度的最大值。
<J.总结>
如以上那样，机床100在显示器130中显示表示当前阶次的大小的阶次信息。通过确认当前阶次的大小，用户能够判断进行怎样的操作来抑制颤振比较好。这样，机床100能够通过显示当前阶次来辅助用户调整控制参数。
对本发明的实时方式进行了说明，但是应该认为本次公开的实施方式在所有方面都是例示性的而不是限制性的。本发明的范围是由权利要求书表示，意图包括与权利要求书等同的含义和范围内的所有变更。

Claims (9)

1.一种机床，具备：
显示部；
刀具，其用于加工工件；
主轴，其用于使所述刀具或所述工件旋转；
传感器，其用于检测所述主轴或所述刀具的振动频率；以及
控制装置，其用于控制所述机床，
其中，所述控制装置基于所述振动频率来检测在所述主轴或所述刀具中发生的颤振，
所述控制装置基于所述颤振的频率、所述主轴的旋转速度以及所述刀具的刀刃数，来计算与所述刀具的第一刀刃的当前旋转角达到所述刀具的第二刀刃的当前旋转角为止的期间中的所述刀具的振动次数相当的阶次，
所述控制装置在所述显示部中显示表示计算出的该阶次的大小的阶次信息。
2.根据权利要求1所述的机床，其特征在于，
所述控制装置在所述显示部中显示多个阶次分区，所述多个阶次分区各自表示不同的阶次的范围，
所述控制装置在所述显示部中显示所述阶次信息时，将所述多个阶次分区中的计算出的所述阶次所属的阶次分区以能够与其它阶次分区进行区别的显示方式进行显示。
3.根据权利要求2所述的机床，其特征在于，
所述多个阶次分区包括第一阶次分区和第二阶次分区，所述第二阶次分区表示比所述第一阶次分区的上限值大的阶次的范围，
所述控制装置使所述第一阶次分区所表示的阶次的范围宽于所述第二阶次分区所表示的阶次的范围。
4.根据权利要求2或3所述的机床，其特征在于，
所述控制装置基于预先决定的计算式来生成稳定极限线图，所述稳定极限线图表示在所述刀具对所述工件切入的切入宽度和所述主轴的旋转速度的切削条件的关系中不会发生颤振的极限的切削条件，
所述控制装置根据所生成的该稳定极限线图，来改变所述多个阶次分区各自表示的阶次的范围。
5.根据权利要求2～4的任一项所述的机床，其特征在于，
所述机床还具备存储装置，所述存储装置用于将操作方式信息与所述多个阶次分区分别对应地进行保存，所述操作方式信息规定了为了抑制所述颤振而应该对所述机床进行的操作方式，
所述控制装置基于检测出所述颤振，来从所述多个阶次分区中确定计算出的所述阶次所属的阶次分区，输出与该阶次分区对应的操作方式信息。
6.根据权利要求2～5的任一项所述的机床，其特征在于，
所述多个阶次分区分别与互不相同的频率范围对应，
所述控制装置通过对所述振动频率进行频率分解来计算每个频率的振动强度，
所述控制装置在所述显示部中与所述多个阶次分区各自对应地显示该阶次分区所表示的频率范围内的振动强度。
7.根据权利要求1～5的任一项所述的机床，其特征在于，
所述控制装置基于检测出所述颤振，来在所述显示部中显示所述阶次信息。
8.一种机床的控制方法，所述控制方法具备以下步骤：
使主轴旋转，所述主轴对工件或刀具进行旋转驱动；
检测所述主轴或所述刀具的振动频率；
基于所述振动频率来检测在所述主轴或所述刀具中发生的颤振；
计算步骤，基于所述颤振的频率、所述主轴的旋转速度以及所述刀具的刀刃数，来计算与所述刀具的第一刀刃的当前旋转角达到所述刀具的第二刀刃的当前旋转角为止的期间中的所述刀具的振动次数相当的阶次；以及
在所述机床的显示部中显示表示在所述计算步骤中计算出的阶次的大小的阶次信息。
9.一种计算机可读存储介质，保存有机床的控制程序，
所述控制程序使所述机床执行以下步骤：
使主轴旋转，所述主轴对工件或刀具进行旋转驱动；
检测所述主轴或所述刀具的振动频率；
基于所述振动频率来检测在所述主轴或所述刀具中发生的颤振；
计算步骤，基于所述颤振的频率、所述主轴的旋转速度以及所述刀具的刀刃数，来计算与所述刀具的第一刀刃的当前旋转角达到所述刀具的第二刀刃的当前旋转角为止的期间中的所述刀具的振动次数相当的阶次；以及
在所述机床的显示部中显示表示在所述计算步骤中计算出的阶次的大小的阶次信息。
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